预制裂隙红砂岩在冲击荷载作用下的动力特性

2019-06-21陈道龙任鹏飞

中国矿业 2019年6期

陈道龙,曾晟,任鹏飞,刘杰

(南华大学资源环境与安全工程学院，湖南衡阳 421001)

基岩是否稳定是衡量工程稳定性的重要依据，矿山开采、隧道开挖、道路桥梁建设都涉及到基岩的稳定性问题。当基岩受到扰动后，将出现裂隙或者裂隙的进一步发育，甚至会出现断裂的情形[1]，严重影响了施工的安全性和建筑的稳定性，因此开展节理岩体的动力学研究十分必要，它将对建筑地基的初期建设起一定的指导作用。

专家学者们主要通过室内实验和数值模拟开展了岩体冲击荷载的研究。其中实验方面有：詹金武等[2]通过SHPB实验研究了泥质粉砂岩在不同含水状态下的动态力学性能，分析了含水率变化对泥质粉砂岩动力特性的影响，得出含水率的变化对岩石动力特性具有较大的影响等结论；SERGO等[3]研究了在冲击荷载作用下岩石边界的应力变形状态，发现岩石的断裂在弹性变形区内进行，并给出了岩石在应变变形状态下的应力张量和位移的表达式；曾晟等[4]通过冲击加载试验，研究了层状节理岩石的动力学特性和动力破坏特征；宋义敏等[5]通过落锤冲击试验，得出裂纹尖端应力强度因子随着预制裂纹的长度增加而增加的结论；叶涛等[6]、王道荣等[7]以氢气炮为原动力的岩石量化试验，其结果证明动高压下岩石破裂机理对现场施工的重要性。数值模型方面有：马江锋等[8]运用岩体裂纹扩展破坏二维分析程序DDARF，对大理石巴西圆盘试样在SHPB试验中动态破裂全过程进行数值模拟研究，展示了试样在不同入射波作用下裂纹的发展过程，解释了裂纹产生的力学机制、扩展过程及伴生现象；OŽBOLTA等[9]利用数值模拟研究了混凝土在冲击荷载作用下的变形特征，得出动载荷与静载荷的差异是由于应变率对强度、刚度、延性及惯性力量的激活；HUANG等[10]通过建立损伤本构模型，得出本构模型对于岩石的冻融破坏和加载具有准确性和实用性；YOSSEF等[11]利用DDA不连续数值分析法，开展了对柱状节理岩石在挖掘松动区的研究，得出岩体结构的各向异性是控制岩石破坏形状和方向的主要因素；苗胜军等[12]基于岩石质量影响因素的不确定性，运用模糊数学对6项岩石质量指标进行综合分析，证明了岩石质量模糊综合评价模型的科学性和可行性；ZHOU等[13]建立了基于威布尔分布的动态损伤模型来预测试件的变形和退化行为，实验结果表明裂纹数量的急剧增加可能是导致高应变率下岩石强度增加的原因，拉伸裂纹是试件断裂失效的主要原因。

目前的研究主要集中在预制构件和数值模拟方面，但是关于红砂岩在动荷载作用下的力学特性研究相对较少，特别是含节理红砂岩体和完整红砂岩体在力学性能和能量耗散上的差异性还需要进一步研究。本试验通过对完整岩体和节理岩体的动态加载，着重分析岩体在不同冲击能作用下的破坏特征，比较两者在力学特性方面的差异，为地下空间工程中基岩的变形机理及稳定性评价方面提供理论基础。

1 试验设计

1.1 试验样品

实验试样取自湖南省衡阳市某建筑基岩，为红砂岩体，尺寸为50 mm×100 mm的标准圆柱体。预制裂纹制作过程为：先用电钻在试样中心钻一个直径为2 mm的圆孔，再用金刚石线在小孔中心进行切割，所得预制裂纹长度为20 mm，参照文献[14]和文献[15]，选取岩体易破裂倾角45°，端面不平行度低于0.05 mm，端面垂直于试样轴线，偏差低于0.25°(图1)，为进一步消除端面效应，实验加载前用石墨与润滑剂的混合物涂抹试件的端面，加工好的节理岩样如图2所示。

图1 节理岩样布置Fig.1 Arrangement of joint specimen

图2 节理岩样Fig.2 Joint specimen

1.2 试验加载

试验采用XJL-98落锤式冲击试验机对试件进行冲击加载，通过单轴压缩试验得出红砂岩体静载强度为34.4 MPa，岩石强度较低，所以选用下落高度为1 m，质量分别为2 kg、3 kg和4 kg的重锤，分别对完整岩体和节理岩体进行加载。冲击过程中，将厚度为5 mm的铝合金板置于试块上方作为垫块，以获得稳定的冲击过程。其中完整试样和节理试样分别设置3组，每组3个试样。同时采用数码摄像机对试验过程中试样表面的裂纹扩展情况进行实时记录，动态采集系统(DH5862电荷放大器、力传感器、加速度传感器动态信号采集仪和电子计算机等)采集信号，其中力传感器和加速度传感器分别布置在试件上端面中心处与侧面中间位置。

2 实验结果和分析

2.1 冲击力分析

通过力传感器测得冲击力时程曲线，如图3所示。冲击力时程曲线的加载段和卸载段近似呈正态分布，根据式(1)计算冲击力时程曲线的离散系数。

CV=σ/μ

(1)

式中：CV为离散系数；σ为标准差；μ为均值。

代入试验数据得出冲击力的离散系数平均大小为0.035。

在相同落锤质量作用下完整岩体的冲击力时程曲线上部高而窄，卸载速率较加载速率缓慢，但比节理岩体的平均卸载速率大3 157 MPa/s；而节理岩体冲击力达到峰值后出现蠕变现象且后续衰减相对较平缓，说明完整岩体的脆性及抗冲击能力均大于节理岩体，这是因为节理岩体的预制节理具有一定的厚度，厚度的压缩过程也是节理的法向闭合过程，即曲线的蠕变阶段属于节理的法向闭合阶段。通过观察图3(a)，在0.7 ms左右，岩体达到峰值应力，其内部将产生相对位移，这是由于此时节理两侧岩石受外荷载大于其间产生的摩擦阻力，导致岩体发生整体性破坏。

图3 冲击力时程曲线Fig.3 Power time-dependent curves of impact

2.2 加速度分析

图4为加速度时程曲线，随着落锤质量的增加，加速度峰值逐渐增大。红砂岩体加速度均经历一次幅值变换后迅速衰减为 0，且完整岩体幅值衰减比节理岩体平缓很多。节理岩体有两次峰值加速度，说明落锤的冲击力均大于节理上部岩体的抗冲击强度，当上部岩体丧失抗冲击能力后，岩体的加速度迅速衰减，衰减过程实际上是反向加速的过程，节理的存在为反向加速度的进一步发展提供了空间与时间；上部岩体破坏后，落锤仍具有剩余冲击能，冲击下部岩体时产生第二次峰值加速度，直到下部岩体完全破坏。

根据损伤理论，由于节理破坏了岩体整体的连续性，以及红砂岩体本身的不均匀性，导致冲击应力波在传播过程中特别是传播至节理面时，此时的节理面相当于无反射边界面，产生复杂的透反射过程导致加速度激振信号杂乱。

2.3 位移分析

为分析节理岩体的法向动态闭合特性，将加速度时程曲线通过两次积分得到岩体动态压缩位移时程曲线，见图5。根据式(1)得出位移时程曲线的离散系数平均大小为0.032。

节理岩体的动态压缩位移均大于完整岩体，符合客观实际。随落锤质量的增大，曲线的斜率逐渐增大，反映了加速度变化结论。分析发现，冲击过程中存在轻微反弹位移，当落锤质量分别为2 kg、3 kg和4 kg时，完整试件的反弹位移分别为0.752 mm、0.355 mm、0.190 mm，节理试件的反弹位移分别为0.095 mm、0.024 mm和0.001 mm。由此可见，岩体类型相同时，反弹位移与冲击能的大小成负相关，试件的竖向压缩位移速率逐渐减缓；在相同的冲击能作用下完整试件的反弹位移要远大于节理试件的反弹位移，对于红砂岩来说，岩性越质密刚度越大，位移的反弹现象越明显。

2.4 能量分析

岩体的落锤冲击过程，主要分为两个阶段：落锤与岩体接触前和落锤与岩体接触后。

落锤与岩体接触前，落锤的势能转化为冲击动能，能量转化关系式见式(2)。

m1gh=Ek

(2)

式中：m1为落锤质量；h为下落高度；Ek为冲击动能。

落锤与岩体接触后，落锤的冲击动能转换为岩体的压缩变形能与冲击过程中的能量耗散，其中压缩变形能见图6，能量转化关系式见式(3)。

(3)

式中：W为岩体吸收的能量；E为能量损失；m2为岩体的质量；v为冲击过程中的速度；P(t)为冲击力。

随落锤质量的增加，曲线与横轴包围的面积逐渐增加，说明岩体所吸收的能量与落锤增加的质量成正相关。通过力-位移曲线积分得到两种岩体类型试能量吸收情况见表1，其中完整岩体约吸收全部能量的80%，节理岩体约吸收70%，节理岩体比完整岩体多损耗10%左右。因为节理的存在，改变了岩体的原有尺寸，破坏了岩体本身的均匀性，影响了红砂岩体的动态强度，增加了节理面的能量损失，使得节理岩体动态强度低于完整岩体的动态强度。